TC4鈦合金電鍍鎳工藝及鍍層性能

鄒松華*，王帥東李曼賈方舟

（1.天津航天長征火箭制造有限公司，天津　300462；2.首都航天機械公司，北京　100076）

【工藝開發(fā)】

TC4鈦合金電鍍鎳工藝及鍍層性能

鄒松華1，*，王帥東1，李曼1，賈方舟2

（1.天津航天長征火箭制造有限公司，天津300462；2.首都航天機械公司，北京100076）

介紹了一種TC4鈦合金表面電鍍鎳工藝，該工藝流程簡單，化學(xué)除油、酸洗、活化后直接電鍍鎳。采用本工藝可在TC4鈦合金表面制得均勻、平整和結(jié)合力合格的鎳鍍層，提高了鈦合金基體的顯微硬度和耐磨性。

鈦合金；電鍍鎳；前處理；結(jié)合力；顯微硬度；耐磨性

First-author's address: Tianjin Aerospace Long March Rocket Manufacturing Co.， Ltd.， Tianjin 300462， China

鈦合金由于具有比強度高、耐蝕性好等優(yōu)點，在航天、航空、船舶、兵器、醫(yī)學(xué)等方面的應(yīng)用日益擴大［1］。但鈦合金耐磨性差，易發(fā)生接觸腐蝕，焊接困難，導(dǎo)電、導(dǎo)熱性差，嚴(yán)重制約了其應(yīng)用［2-3］。因此有必要對鈦合金進(jìn)行一定的表面處理，以擴大其應(yīng)用范圍和提高使用壽命。

鈦合金的表面處理技術(shù)主要有電鍍［4］、化學(xué)鍍［5］、陽極氧化［6］、微弧氧化［7］等。其中，通過陽極氧化和微弧氧化可在鈦合金表面原位形成結(jié)合力較好的氧化膜，但膜層較薄，耐磨性較差，并且微弧氧化一般在高壓下進(jìn)行，容易在鈦合金零件表面產(chǎn)生燒傷痕跡，嚴(yán)重影響氧化膜的性能。電鍍可以根據(jù)不同的使用要求來選擇合適的工藝，但鈦合金在空氣中較活潑，表面容易生成較為致密的氧化膜，給電鍍帶來較大的困難。趙立才等通過噴砂電鍍?nèi)榘足t等處理，在 TC2鈦合金表層得到了耐磨性好和硬度較高的硬鉻鍍層［8］；劉玉敏等通過濕吹砂，在TC11表面得到結(jié)合力良好的銅鍍層和鍍銀層［9］；于海等通過對鈦合金進(jìn)行活化、氫化處理，得到了結(jié)合力合格的鍍銅層，發(fā)現(xiàn)電鍍銅提高了鈦合金基體的導(dǎo)電性，削弱了其電偶腐蝕傾向［10］。

目前，成熟的鈦合金電鍍前活化處理工藝流程中多數(shù)都包含吹砂工序，而對于含內(nèi)腔、孔洞的零件，吹砂處理較難操作和實施。本文對TC4鈦合金試片進(jìn)行化學(xué)除油、酸洗及活化處理后直接電鍍鎳，表征了鎳鍍層的表面形貌、結(jié)合力、顯微硬度和耐磨性，以期為鈦合金電鍍鎳航天產(chǎn)品的應(yīng)用提供理論依據(jù)，也為其他領(lǐng)域鈦合金的電鍍前處理工藝提供參考。

1　鈦合金電鍍鎳工藝

試驗材料為TC4鈦合金試片，尺寸為50 mm × 50 mm × 2 mm，元素組成和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：Fe≤0.30%，C≤0.10%，N≤0.05%，H≤0.015%，O≤0.20%，Al 5.5% ～ 6.8%，V 3.5% ～ 4.5%，Ti余量。所用試劑均為化學(xué)純。

工藝流程為：化學(xué)除油→水洗→酸洗→水洗→活化→水洗→電鍍鎳。

1. 1化學(xué)除油

氫氧化鈉35 g/L，碳酸鈉30 g/L，磷酸鈉30 g/L，硅酸鈉5 g/L，氟化鈉2 g/L，溫度75 °C，時間30 m in。

1. 2 酸洗

氫氟酸20 g/L，硝酸45 g/L，室溫，時間3 ～ 15 s。

酸洗主要是為了清除鈦合金表面的氧化皮。為防止過腐蝕，表面經(jīng)過機械加工的鈦合金產(chǎn)品需嚴(yán)格控制酸洗時間，在鈦合金表面出現(xiàn)均勻氣泡后2 s左右就應(yīng)取出并進(jìn)行水洗。

1. 3活化

鹽酸400 g/L，硫酸900 g/L，緩蝕劑A 20 g/L，室溫，時間30 m in。

1. 4鍍鎳

七水合硫酸鎳150 g/L，硼酸19 g/L，硫酸鹽M 80 g/L，陽極活化添加劑B 5 g/L，pH 5.2，溫度55 °C，時間20 min，陽極為99.9%的鎳板。采用XRF2000鍍層測厚儀測得鎳層厚度約為5.1 μm。

2　鈦合金電鍍鎳層的性能

2. 1表面形貌

圖1和圖2分別為電鍍鎳試片的外觀照片和采用FEI Novanano SEM 450掃描電子顯微鏡觀察所得表面形貌。從中可知，電鍍鎳層顏色均勻，表面光滑、平整，無結(jié)瘤、毛刺、漏鍍、起皮等缺陷。

圖1　TC4鈦合金表面Ni鍍層的照片F(xiàn)igure 1　Photo of Ni coating on sur face of TC4 alloy編者注：圖1原為彩色，請見C1頁。

圖2　TC4鈦合金表面Ni鍍層的表面形貌Figure 2　Surface morphology of Ni coating on TC4 alloy

2. 2結(jié)合力

采用熱震試驗法，將電鍍鎳試樣置于300 °C的恒溫爐中保溫1 h，取出后立刻放入冷水中，鎳鍍層沒有起皮、脫落等現(xiàn)象，說明其與鈦合金基體結(jié)合良好。這也間接表明，選用的酸洗、活化工藝起到很好的溶解、緩蝕鈦合金表層和保護(hù)活化鈦的作用，從而使鈦合金表面難以迅速生成氧化膜，最終在活性較高的鈦合金表面實現(xiàn)電鍍鎳。

2. 3顯微硬度

使用北京時代之峰科技有限公司的HVS-100數(shù)字式顯微硬度計，加載力為0.98 N，加載時間為10 s，測得鈦合金基體和鎳鍍層的顯微硬度分別為310 HV和510 HV，說明電鍍鎳后鈦合金的顯微硬度提高至原來的1.6倍左右，鈦合金的抗劃傷能力將顯著增強。

2. 4耐磨性

采用濟南益華摩擦學(xué)測試技術(shù)研究所的MDW-02機械往復(fù)摩擦磨損試驗機測定干摩擦條件下鈦合金基體和鍍層的摩擦因數(shù)及磨損量，載荷25 N，頻率3 Hz，時間60 m in，對偶件為直徑6.35 mm的GCr15軸承鋼球，結(jié)果如圖3所示。

圖3　Ni鍍層及TC4鈦合金基體摩擦因數(shù)隨磨損時間的變化Figure 3　Variation of friction coefficients of Ni coating and TC4 alloy substrate w ith abrasion time

由圖 3可知，在規(guī)定的干摩擦條件下，鈦合金基體的摩擦因數(shù)最初較低，后期逐漸穩(wěn)定。這主要是由于為防止鈦合金在酸洗、活化后腐蝕摩擦試驗機，需要對其進(jìn)行吹干，短時間的空氣接觸使鈦合金表面形成一層薄氧化膜，因此在摩擦試驗前期主要是對氧化膜進(jìn)行磨損，摩擦因數(shù)相對較低，影響了磨損初期鈦合金基體摩擦因數(shù)的測定，也在一定程度上影響了鈦合金基體的磨損量。摩擦試驗穩(wěn)定后，即對偶件接觸到鈦合金基體后，鈦合金基體的摩擦因數(shù)約為0.38，60 min后的磨損量為8.4 mg。

鎳鍍層的摩擦因數(shù)較穩(wěn)定，始終保持在0.2左右，60 m in后的磨損量為1.0 mg，說明鎳鍍層沒有被完全磨透，所測摩擦因數(shù)及磨損量均屬于鎳鍍層。

鍍鎳試樣的摩擦因素和磨損量分別為鈦合金基體的52.6%和11.9%，可見鈦合金電鍍鎳后，鎳鍍層的減磨作用顯著改善了鈦合金表面的耐磨性，從而提高了鈦合金產(chǎn)品在轉(zhuǎn)運、裝配過程中的抗滑動磨損能力。

3　結(jié)語

相對于吹砂處理而言，采用化學(xué)活化法處理含內(nèi)腔、孔洞的鈦合金零件，其操作更簡單。本工藝實現(xiàn)了對鈦合金活化處理后直接電鍍鎳，目前已在形狀簡單的產(chǎn)品上得到應(yīng)用，也可為鈦合金電鍍功能性鉻、銅等的鍍前處理提供技術(shù)參考。

［1］ 孫志華， 劉佑厚， 張曉云， 等. 鈦及鈦合金的電鍍工藝述評［J］. 腐蝕與防護(hù)， 2005， 26 （11）: 493-496.

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［3］ 徐杰， 張春華， 張松， 等. 鈦合金表面防護(hù)技術(shù)及發(fā)展［J］. 鈦工業(yè)進(jìn)展， 2003， 20 （3）: 17-21.

［4］ 孫志華， 劉佑厚， 張曉云， 等. 鈦及鈦合金的電鍍工藝述評［J］. 腐蝕與防護(hù)， 2005， 26 （11）: 493-496.

［5］ 唐恩軍， 劉智， 趙云強. 鈦合金化學(xué)鍍Ni-P合金工藝的研究［J］. 電鍍與環(huán)保， 2003， 23 （4）: 21-22.

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［8］ 趙立才， 高晶， 沙春鵬. TC2鈦合金表面電鍍雙層鉻工藝［J］. 電鍍與涂飾， 2014， 33 （21）: 919-921.

［9］ 劉玉敏， 李鵬， 李任和. 鈦合金鍍銅、鍍銀工藝［J］. 電鍍與涂飾， 2015， 34 （1）: 30-33.

［10］ 于海， 李云飛， 王志煜， 等. TC2鈦合金電鍍銅的應(yīng)用［J］. 腐蝕與防護(hù)， 2015， 36 （5）: 432-434.

［ 編輯：周新莉 ］

Process for nickel plating on TC4 titanium alloy and performance of coating

ZOU Song-hua*， WANG Shuai-dong，LI Man， JIA Fang-zhou

A process for nickel plating on TC4 titanium alloy was introduced. The process flow is simple as shown by directly nickel plating after chemical degreasing， pickling and activation successively. A uniform and smooth nickel coating w ith qualified adhesion strength can be obtained on the surface of TC4 titanium alloy by using the given process， resulting in the improvement of m icrohardness and wear resistance of titanium alloy substrate.

titanium alloy； nickel electroplating； pretreatment； adhesion strength； microhardness； wear resistance

TQ153.12

A

1004 - 227X （2016） 12 - 0626 - 03

2016-03-28

2016-05-03

鄒松華（1976-），男，江西九江人，本科，高級工程師，研究方向為金屬腐蝕與防護(hù)。

作者聯(lián)系方式：（E-mail） zousonghua2005@sina.com，（Tel） 010-88033396。